一種高孔隙率及高強度釔硅氧多孔陶瓷的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及多孔陶瓷材料領域，具體為一種通過發(fā)泡注凝工藝制備高孔隙率和高強度的釔硅氧多孔陶瓷材料的方法。該方法以氧化釔和氧化硅混合粉末作為原料，水為分散介質，選用聚乙烯亞胺或檸檬酸銨為分散劑，以丙烯酰胺或N-羥甲基丙烯酰胺為單體，再加入交聯劑N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺，攪拌后加入發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉、起皮抑制劑聚氧化乙烯、催化劑N,N,N′,N′-四甲基乙二胺和引發(fā)劑過硫酸銨，接著進行注模凝固。脫模之后先在室溫下干燥24～48小時，然后在60～90℃下干燥24～36小時，最后在1500～1550℃下進行1.5～2.5小時的高溫反應燒結，最終制備出γ-Y2Si2O7多孔陶瓷。本發(fā)明可制備出具有多層次孔結構并且孔隙率可控的高孔隙率(75～85%)和高強度(3～8MPa)的γ-Y2Si2O7多孔陶瓷材料。
【專利說明】一種高孔隙率及高強度釔硅氧多孔陶瓷的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及多孔陶瓷材料領域，具體為一種通過發(fā)泡注凝工藝制備高孔隙率及高強度釔硅氧U-Y2Si2O7)多孔陶瓷材料的方法。
【背景技術】
[0002]釔硅氧(y -Y2Si2O7)陶瓷具有許多卓越的性能，其熱導率極低(<3W/(m.K)，>300°C )、熱膨脹系數小(~3.9 X KT6IT1, 25~1400°C )、損傷容限良好、耐熱腐蝕性高，還具有優(yōu)良的化學和熱穩(wěn)定性(J.Y.Wang, et al.Acta.Mater.(材料學報).2007 (55):6019 -26.)。憑借其優(yōu)異的綜合性能使得Y-Y2Si2O7陶瓷具有廣闊的應用前景，例如:可作為高溫結構材料、硅基陶瓷的環(huán)障涂層和優(yōu)良的絕熱材料等。
[0003]目前，關于釔硅氧陶瓷塊體材料和涂層制備及性能方面的研究較多，而Y-Y2Si2O7多孔陶瓷的合成和性能的相關報道很少。Y -Y2Si2O7多孔陶瓷將擁有Y -Y2Si2O7陶瓷和多孔陶瓷共同的優(yōu)點，即高比表強度、高孔隙率、低熱導率、低密度以及良好抗氧化和耐高溫等性能(A.R.Studart, et al.J.Am.Ceram.Soc.(美國陶瓷學會會刊).2006 (89): 1771-89.)。所以，Y-Y2Si2O7多孔陶瓷可作為航空、航天領域中優(yōu)良的熱絕緣和熱防護材料，具備極其誘人的前景。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種高孔隙率及高強度釔硅氧多孔陶瓷的制備方法，使
Y-Y2Si2O7多孔陶瓷具有高孔隙率和高強度的特點。
[0005]本發(fā)明的技術方案如下:
[0006]一種高孔隙率及高強度釔硅氧多孔陶瓷的制備方法，釔硅氧陶瓷材料為
Y-Y2Si2O7多孔陶瓷，具體步驟如下:
[0007]I)漿料的配制:按質量份數計，以Y2O3和SiO2摩爾比1:2的混合粉末80~120份、去離子水30~50份、有機單體4~8份、分散劑0.5~1.5份、交聯劑N，N1-亞甲基雙丙烯酰胺0.3~0.9份為原料，進行混合，然后攪拌I~4小時，形成漿料；
[0008]2)按質量份數計，向所述漿料中加入發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉0.5~1.5份，攪拌進行發(fā)泡15~30分鐘，接著加入起皮抑制劑0.5~1.5份、催化劑N，N，N' ,N'-四甲基乙二胺2~6份和引發(fā)劑過硫酸銨I~5份,攪拌20~60秒后立刻注模,脫模后形成還體；
[0009]3)將坯體在室溫下干燥24~48小時，然后在烘箱中60~90°C干燥24~36小時，最后在空氣中1500~1550°C下進行高溫反應燒結，燒除有機物凝膠，便可獲得兼具宏觀孔和微米孔的Y-Y2Si2O7多孔陶瓷材料。
[0010]所述的高孔隙率及高強度釔硅氧多孔陶瓷的制備方法，Y-Y2Si2O7多孔陶瓷材料的孔隙率范圍為75~85%，宏觀孔均勻分布，孔徑范圍為80~300 μ m，宏觀孔的孔壁具有微米孔，孔徑范圍為0.1~2 μ m。
[0011]所述的高孔隙率及高強度釔硅氧多孔陶瓷的制備方法，Y2O3和SiO2的混合粉末的粒度尺寸范圍為0.1~3.5 i! m。
[0012]所述的高孔隙率及高強度釔硅氧多孔陶瓷的制備方法，有機單體為丙烯酰胺或N-羥甲基丙烯酰胺，分散劑為聚乙烯亞胺或檸檬酸銨；起皮抑制劑為聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯、聚乙二醇或淀粉。
[0013]所述的高孔隙率及高強度釔硅氧多孔陶瓷的制備方法，催化劑N，N，N'，N'-四甲基乙二胺和引發(fā)劑過硫酸銨為質量分數15~25%的水溶液。
[0014]所述的高孔隙率及高強度釔硅氧多孔陶瓷的制備方法，高溫反應燒結的升溫速率為4~8V /分鐘，保溫時間為1.5~2.5小時。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果是:
[0016]1.本發(fā)明提出通過發(fā)泡注凝工藝制備高孔隙率和高強度釔硅氧(Y-Y2Si2O7)多孔陶瓷材料的方法，該方法可制備出兼具宏觀孔和微米孔且孔隙率可控的高孔隙率和高強度的Y-Y2Si2O7多孔陶瓷。
[0017]2.本發(fā)明的操作方便，只需經過漿料的配制、發(fā)泡、注模凝固、脫模、干燥和高溫反應燒結等流程，并且制備、注模凝固和熱處理過程都在空氣氣氛中進行。
[0018]3.本發(fā)明的成本較低，無需特殊設備，易于大規(guī)模生產。
[0019]4.本發(fā)明選取的溫度可使樣品生成純相的Y-Y2Si2O7，從而材料具有優(yōu)異的高溫性能。
[0020]5.本發(fā)明 可制備出具有較高孔隙率和較高強度的Y-Y2Si2O7多孔陶瓷材料，再者該多孔陶瓷骨架具有微米孔，可大大降低熱導率，為性能優(yōu)良的輕質絕熱材料。
[0021]總之，本發(fā)明方法以氧化釔和氧化硅混合粉末作為原料，水為分散介質，選用聚乙烯亞胺或檸檬酸銨為分散劑，以丙烯酰胺或N-羥甲基丙烯酰胺C4H7NO2為單體，再加入交聯劑N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺C7HltlN2O2，攪拌后加入發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉、起皮抑制劑聚氧化乙烯、催化劑N，N，N'，N'-四甲基乙二胺CltlH24N2和引發(fā)劑過硫酸銨，接著進行注模凝固。脫模之后先在室溫下干燥24~48小時，然后在60~90°C下干燥24~36小時，最后在1500~1550°C下進行1.5~2.5小時的高溫反應燒結，最終制備出Y -Y2Si2O7多孔陶瓷。本發(fā)明方法的工藝簡單、成本低廉、可操作性強，可制備出具有多層次孔結構并且孔隙率可控的高孔隙率(75~85%)和高強度(3~8MPa)的Y-Y2Si2O7多孔陶瓷材料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1 (a)_圖1 (C)為Y-Y2Si2O7多孔陶瓷材料的掃描電鏡照片。其中，圖1 (a)和圖1 (b)為實施例1 ;圖1 (c)為實施例2。
[0023]圖2為Y -Y2Si2O7多孔陶瓷材料的X射線衍射譜圖。
【具體實施方式】
[0024]本發(fā)明高孔隙率及高強度釔硅氧(Y -Y2Si2O7)多孔陶瓷材料的制備方法，具體步驟如下:
[0025]I)漿料的配制:按質量份數計，以Y2O3和SiO2摩爾比1:2的混合粉末80~120份、去離子水30~50份、有機單體4~8份、分散劑0.5~1.5份、交聯劑N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺0.3~0.9份為原料，進行混合，然后攪拌I~4小時，形成漿料；[0026]2)加入發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉0.5~1.5份快速攪拌(攪拌機轉速范圍為1000~2000rpm)進行發(fā)泡15~30分鐘，接著加入起皮抑制劑0.5~1.5份、催化劑N, N，K ,N1-四甲基乙二胺2~6份和引發(fā)劑過硫酸銨I~5份，攪拌20~60秒后立刻注模，脫模后形成坯體；
[0027]3)將坯體在室溫下干燥24~48小時，然后在烘箱中60~90°C干燥24~36小時，最后在空氣中1500~1550°C下進行高溫反應燒結，燒除有機物凝膠，便可獲得兼具宏觀孔和微米孔且孔隙率可控的Y2Si2O7多孔陶瓷材料。Y -Y2Si2O7多孔陶瓷材料的孔隙率范圍為75~85%，宏觀孔均勻分布，孔徑范圍為80~300 μ m,宏觀孔的孔壁具有微米孔，孔徑范圍為0.1~2 μ m。
[0028]本發(fā)明中，Y2O3和SiO2的混合粉末的粒度尺寸范圍為0.1~3.5 μ m，有機單體為丙烯酰胺或N-羥甲基丙烯酰胺，分散劑為聚乙烯亞胺或檸檬酸銨；起皮抑制劑為聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯、聚乙二醇或淀粉；催化劑N，N，N'，N'-四甲基乙二胺和引發(fā)劑過硫酸銨為質量分數為15~25%的水溶液；高溫反應燒結的升溫速率為4~8°C /分鐘，保溫時間為1.5~2.5小時。
[0029]下面通過實施例詳述本發(fā)明。
[0030]實施例1
[0031]先稱取去離子水50g，不斷攪拌下依次加入聚乙烯亞胺1.5g、丙烯酰胺6g、N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺0.9g，以及Y2O3和SiO2摩爾比1:2的混合粉末120g，進行混合，然后攪拌4小時,形成衆(zhòng)料；
[0032]然后向衆(zhòng)料中加入十二烷基硫酸鈉1.5g,快速攪拌(攪拌機轉速為1500rpm)進行發(fā)泡30分鐘，接著加入聚氧化·乙烯1.5g、N, N，N'，N'-四甲基乙二胺質量分數為15%的水溶液6g和過硫酸銨質量分數為25%的水溶液5g，攪拌20秒后立刻注模凝固，脫模后形成坯體；
[0033]將坯體在室溫下干燥48小時，然后在烘箱中90°C干燥24小時，最后在空氣中以6V /分鐘升溫速率加熱至1525°C進行高溫反應燒結并保溫2小時得到Y -Y2Si2O7多孔陶瓷。本實施例中，樣品的孔隙率為75.5%，壓縮強度為7.73MPa。y -Y2Si2O7多孔陶瓷的微觀形貌由圖1(a)和圖1(b)的SEM照片顯不,樣品的宏觀孔孔徑大小為80~200 μ m,孔窗大小為20~70μπι。本實施例中，微米孔大小為0.2~1.6 μ m。
[0034]實施例2
[0035]先稱取去離子水30g，不斷攪拌下依次加入檸檬酸銨0.5g、丙烯酰胺4g、N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺0.3g，以及Y2O3和SiO2摩爾比1:2的混合粉末80g，進行混合，然后攪拌I小時，形成漿料；
[0036]然后向衆(zhòng)料中加入十二烷基硫酸鈉0.5g,快速攪拌(攪拌機轉速為1800rpm)進行發(fā)泡15分鐘，接著加入聚乙二醇0.5g、N，N，N'，N'-四甲基乙二胺質量分數為25%的水溶液2g和過硫酸銨質量分數為20%的水溶液4g，攪拌60秒后立刻注模凝固，脫模后形成坯體；
[0037]將坯體在室溫下干燥24小時，然后在烘箱中60°C干燥36小時，最后在空氣中以40C /分鐘升溫速率加熱至1500°C進行高溫反應燒結并保溫2.5小時得到Y2Si2O7多孔陶瓷。本實施例中，樣品的孔隙率為80.6%，壓縮強度為5.1OMPa0多孔陶瓷的微觀形貌由圖I(C)的SEM照片顯示，樣品的微米孔大小為0.3~2 i! m，晶粒大小為2~7 y m。本實施例中，宏觀孔孔徑大小為90~210 u m。
[0038]實施例3
[0039]先稱取去離子水40g，不斷攪拌下依次加入檸檬酸銨lg、N-羥甲基丙烯酰胺Sg、N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺0.5g，以及Y2O3和SiO2摩爾比1:2的混合粉末100g，進行混合，然后攪拌2.5小時,形成衆(zhòng)料；
[0040]然后向衆(zhòng)料中加入十二烷基硫酸鈉lg，快速攪拌(攪拌機轉速為1300rpm)進行發(fā)泡25分鐘，接著加入淀粉lg、N，N，N' ,N/ -四甲基乙二胺質量分數為20%的水溶液5g和過硫酸銨質量分數為15%的水溶液3g，攪拌50秒后立刻注模凝固，脫模后形成坯體；
[0041]將坯體在室溫下干燥36小時，然后在烘箱中75°C干燥30小時，最后在空氣中以
7.50C /分鐘升溫速率加熱至1550°C進行高溫反應燒結并保溫1.5小時得到Y -Y2Si2O7多孔陶瓷。本實施例中，樣品的孔隙率為84.6%，壓縮強度為3.09MPa。樣品的宏觀孔孔徑大小為70~250 u m，微米孔大小為0.3~1.5 y m。相應的相組成由附圖2中的XRD譜顯示，從圖2可以看出，樣品為較為純凈的Y-Y2Si2O7相。
[0042]實施例結果表明，本發(fā)明采用工藝簡單的發(fā)泡注凝法，可通過調節(jié)發(fā)泡劑的添加量來控制孔隙率，采用該方法制備的多孔陶瓷制品具有非常高的孔隙率和較高的壓縮強度，且可制備出兼具宏觀孔和微米孔的多孔陶瓷。
【權利要求】
1.一種高孔隙率及高強度釔硅氧多孔陶瓷的制備方法，其特征在于，釔硅氧陶瓷材料為Y-Y2Si2O7多孔陶瓷，具體步驟如下: 1)漿料的配制:按質量份數計，以Y2O3和SiO2摩爾比1:2的混合粉末80~120份、去離子水30~50份、有機單體4~8份、分散劑0.5~1.5份、交聯劑N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺0.3~0.9份為原料，進行混合，然后攪拌I~4小時，形成漿料； 2)按質量份數計，向所述漿料中加入發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉0.5~1.5份，攪拌進行發(fā)泡15~30分鐘，接著加入起皮抑制劑0.5~1.5份、催化劑N，N，N' ,N'-四甲基乙二胺2~6份和引發(fā)劑過硫酸銨I~5份,攪拌20~60秒后立刻注模,脫模后形成還體； 3)將坯體在室溫下干燥24~48小時，然后在烘箱中60~90°C干燥24~36小時，最后在空氣中1500~1550°C下進行高溫反應燒結，燒除有機物凝膠，便可獲得兼具宏觀孔和微米孔的Y-Y2Si2O7多孔陶瓷材料。
2.按照權利要求1所述的高孔隙率及高強度釔硅氧多孔陶瓷的制備方法，其特征在于，Y -Y2Si2O7多孔陶瓷材料的孔隙率范圍為75~85%，宏觀孔均勻分布，孔徑范圍為80~300 μ m，宏觀孔的孔壁具有微米孔，孔徑范圍為0.1~2μπι。
3.按照權利要求1所述的高孔隙率及高強度釔硅氧多孔陶瓷的制備方法，其特征在于，Y2O3和SiO2的混合粉末的粒度尺寸范圍為0.1~3.5 μ m。
4.按照權利要求1所述的高孔隙率及高強度釔硅氧多孔陶瓷的制備方法，其特征在于，有機單體為丙烯酰胺或N-羥甲基丙烯酰胺，分散劑為聚乙烯亞胺或檸檬酸銨；起皮抑制劑為聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯、聚乙二醇或淀粉。
5.按照權利要求1所述的高孔隙率及高強度釔硅氧多孔陶瓷的制備方法，其特征在于，催化劑N，N，N'，N'-四甲基乙二胺和引發(fā)劑過硫酸銨為質量分數15~25%的水溶液。
6.按照權利要求1所述的高孔隙率及高強度釔硅氧多孔陶瓷的制備方法，其特征在于，高溫反應燒結的升溫速率為4~8°C /分鐘，保溫時間為1.5~2.5小時。
【文檔編號】C04B38/06GK103588482SQ201310617437
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權日:2013年11月28日
【發(fā)明者】王京陽, 吳貞, 孫魯超 申請人:中國科學院金屬研究所